Полупроводниковые интегральные микросхемы
Наибольшее распространение получили ИС, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Их называют полупроводниковыми.
Для изготовления полупроводниковых микросхем используют кремниевые монокристаллические пластины диаметром не менее 30 — 60 мм и толщиной 0,25 — 0,4 мм. Элементы микросхемы — биполярные и полевые транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы — формируют в полупроводниковой пластине методами, известными из технологии дискретных полупроводниковых приборов (селективная диффузия, эпитаксия и др.) [5]. Межсоединения выполняют напылением узких проводящих дорожек алюминия на окисленную (т. е. электрически изолированную) поверхность кремния, имеющую окна в пленке окисла в тех местах, где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмиттера, базы, коллектора транзистора и т. д.). Для соединения элементов микросхемы с ее выводами на проводящих дорожках создаются расширенные участки —контактные площадки. Методом напыления иногда изготавливают также резисторы и конденсаторы.
Рис. 1.3. Основные части микросхемы
Рис. 1.4. Интегральный биполярный транзистор, изолированный электронно-дырочным переходом
Рис. 1.5. Интегральный много-эмиттерный транзистор
Изготовление полупроводниковых микросхем осуществляют групповым методом, при котором на одной пластине 1 (рис. 1.3) одновременно создают большое число (до 300 — 500) одинаковых функциональных структур (наборов элементов и межсоединений). Одновременной обработке подвергается до 20 пластин. После выполнения всех операций по формированию элементов и межсоединений пластину разрезают на отдельные платы 2, называемые кристаллами. Каждый кристалл содержит одну функциональную структуру. Его закрепляют на основании корпуса 3, контактные площадки соединяют с выводами микросхемы с помощью тонких проводничков, затем на основание надевают крышку корпуса 4 и корпус герметизируют, чем обеспечивается защита кристалла от воздействий окружающей среды.
Рассмотрим теперь особенности устройства элементов полупроводниковых микросхем, которые обусловлены необходимостью изоляции элементов от тела кристалла, обладающего заметной электрической проводимостью. Изоляцию элементов осуществляют либо с помощью дополнительного электронно-дырочного перехода, находящегося под обратным напряжением, либо с помощью тонкого слоя диэлектрика, например двуокиси кремния. Первый способ более прост и дешев и поэтому наиболее распространен, но он не позволяет получить ток утечки на тело кристалла менее 10 нА и емкость элемента по отношению .к телу кристалла менее 2пФ. Второй способ более сложен и дорог, но снижает ток утечки в тысячи раз, а емкость — в десятки раз.
Биполярные транзисторы. Структура транзистора, изолированного электронно-дырочным переходом, показана на рис. 1.4. Электрод коллектора К расположен в интегральных транзисторах на верхней поверхности кристалла, там же находятся электроды эмиттера Э и базы Б. Чтобы в этих условиях обеспечить низкоомный путь для коллекторного тока к электроду коллектора K, под n-областью коллектора создают скрытый слой n+, обладающий повышенной проводимостью. Изо тирующий переход образуется вдоль линии, разделяющей «-область коллектора и «+-область его скрытого слоя от р+-областей и р-области тела кристалла.
Рис. 1.6. Интегральные полупроводниковые диоды (схема соединения)
Рис. 1.7. Интегральный МДП-транзистор
Транзисторы полупроводниковых микросхем могут иметь не сколько отдельных эмиттеров при одной базе и одном коллекторе. Такие транзисторы называются многоэмиттерными. Их устройство показано на рис. 1.5, а способы использования рассмотрены в гл 4 Если в полупроводниковой микросхеме применяют диэлектрическую изоляцию элементов, то транзисторы имеют такую же двухпереходную структуру, как и их дискретные аналоги.
Значения параметров интегрального биполярного транзистора определяются, как обычно, концентрационным профилем структуры, площадью переходов, электрофизическими параметрами материала.
Максимальный коллекторный ток может достигать 50 мА коэффициент передачи тока базы от 20 до 50, обратные токи переходов менее 10 нА, максимальное коллекторное напряжение до 40 В ппе-дельная рабочая частота до 1000 МГц. Освоены способы изготовления транзисторных структур имеющих коэффициент передачи тока базы до нескольких тысяч [13].
Полупроводниковые диоды. Для упрощения технологического цикла диоды изготавливают на основе транзисторных структур Для быстродействующих диодов используют эмиттерный переход пои соединенном с базой коллекторе (рис. 1.6,а). Для диодов, которые должны иметь большое пробивное напряжение, используют коллекторный переход, а эмиттер соединяют с базой (рис 1 66) Во втором случае скорость переключения получается в десятки раз ниже из-за большего значения неравновесного заряда, накапливающегося не только в области базы, но и в области коллектора а также из-за большей емкости перехода.
МДП-транзисторы. Эти приборы не нужно специально изолировать от тела кристалла, так как у них область «сток — канал — исток» уже изолирована от тела кристалла электронно-дырочным переходом, образующимся вдоль линии, разделяющей р-область тела кристалла от л+-области истока, л-области канала и л+-области стока, и этот переход имеет обратное смещение в рабочем режиме (рис. 1.7). Площадь, занимаемая на подложке МДП-структурой оказывается при этом в сотни раз меньше, чем у биполярных структур, что позволяет получить значительно большую плотность размещения элементов на подложке.
Интегральные МДП-транзисторы имеют следующие значения параметров: ток стока до 10 мА, напряжение стока до 30 В входное сопротивление — десятки МОм, предельная частота — сотни МГц Таким образом, интегральные МДП-транзисторы являются сравнительно низкочастотными элементами, что обусловлено большими межэлектродными емкостями.
Конденсаторы. В полупроводниковых микросхемах применяют в основном р — n-конденсаторы, в качестве которых используют коллекторный переход 1 транзисторной структуры (рис 1 8) Эмиттер-ную область в данном случае не формируют.
Изолирующий р — n-переход 2 отделяет р — «- конденсатор от тела кристалла. Выводами конденсатора являются алюминиевые электроды 3, 4 Конденсаторы, один вывод которых должен быть соединен с телом кристалла, могут выполняться на основе изолирующего перехода.
Емкость р—n-конденсатора определяется площадью перехода и обычно не превышает 100 пФ. Добротность низкая — не более 10 отклонение от номинала большое — до 30%, температурный коэффициент емкости до 10~3 град-1. v
Рис. 1.8. Интегральный конденсатор Рис. 1.9. Диффузионный резистор
Малый диапазон емкостей, низкая добротность, высокий температурный коэффициент и зависимость емкости от приложенного напряжения не позволяют в ряде случаев использовать р — n-конден-саторы. Тогда применяют пленочные конденсаторы типа «металл — диэлектрик — металл». Их выполняют последовательным напылением трех тонких слоев (проводящего, изолирующего и проводящего) на изолирующую пленку двуокиси кремния, находящуюся на поверхности полупроводниковой пластины. Емкость таких конденсаторов достигает 500 пФ при отклонении от номинала не более 5 — 10%, добротность — до 100, температурный коэффициент до 10~4 град-1, рабочее напряжение — до 60 В.
Применяют также конденсаторы типа МДП, у которых нижнюю обкладку образует эмиттерный слой транзисторной структуры, диэлектриком является пленка двуокиси кремния, а верхняя обкладка — металлическая. Вследствие большого сопротивления потерь нижней (полупроводниковой) обкладки такие конденсаторы несколько уступают конденсаторам с металлическими обкладками, но проще их в изготовлении. По сравнению с парамерами р — n-конденсаторов параметры МДП-конденсаторов значительно выше.
Резисторы. Для формирования в полупроводниковой пластине области, обладающей требуемым электрическим сопротивлением, обычно используют базовый слой транзисторной структуры (рис. 1.9) и, иногда, эмиттерный или коллекторный слои.
Такие резисторы называются диффузионными. Алюминиевые межсоединения 1 имеют контакт с резистивным элементом 2 через окна в изолирующей пленке двуокиси кремния. Электронно-дырочный переход 3 изолирует резистивный элемент от тела кристалла.
Поскольку такие параметры диффузионных слоев, как толщина, концентрация и распределение примеси, задаются требованиями к транзисторным структурам, необходимое сопротивление резистив-ного элемента может быть получено лишь путем выбора слоя и его ширины и длины. Эмиттерный слой, имеющий более высокую концентрацию примесей, используют для получения резисторов с малым сопротивлением (от 2 до 30 Ом), а базовый слой — с большим сопротивлением (от 100 Ом до 20 кОм). Отклонение от номинала достигает 20%, предельная частота — до 100 МГц, максимальное рабочее напряжение 5 и 20 В соответственно и температурный коэффициент 1-10-4 град-1 и 1-10-3 град-1, соответственно.
В полупроводниковых микросхемах обычно применяют диффузионные резисторы, но если требуемый номинал сопротивления не может быть с их помощью реализован, то в качестве резистивного элемента используют дорожки из пленки высокоомного металла напыленные, как и межсоединения, на изолирующую пленку двуокиси кремния, покрывающую поверхность кристалла. Эти резисторы называются пленочными, их устройство рассмотрено в § 1.2.2.
Рис. 1.10. Кристалл полупроводниковой микросхемы
В качестве резисторов в полупроводниковых микросхемах используют также канал МДП-транзистора. Сопротивление при этом может регулироваться изменением напряжения, подаваемого на затвор (минимальное сопротивление около 10 Ом).
Размещение элементов, межсоединений и контактных площадок на поверхности и внутри кристалла полупроводниковой микросхемы иллюстрирует рис. 1.10. На рис. 1.10,а показана принципиальная схема функционального узла, выполненного в виде данной микросхе-мы. Это логический элемент ИЛИ-НЕ, состоящий из двух транзисторов Т, и Т2 и трех резисторов R,, R2 и я3.
Принцип действия этого элемента рассмотрен в гл. 4. На рис. 1.10,6 показан кристалл полупроводниковой микросхемы, представляющий собой данный функциональный узел (вид сверху). Обозначения те же что и на принципиальной схеме. Области, занятые транзисторными структурами, отмечены буквами Т, и Т2, выводы их эмиттеров — Э коллекторов-K, баз -Б, пленочные резисторы Rь R2, R3 (отмечены точками). Межсоединения и контактные площадки 1, 2, 3, 4, 5 отмечены штриховкой. Область, занимаемая элементами на кристалле имеет размеры 1x1 мм. На рис l.l0.e показан разрез кристалла по А-А. Видны эмиттерная n+-область транзистора Т1 и вывод его эмиттера Э, базовая р-область и ее вывод Б, коллекторная n-область и ее вывод K, а также изолирующий слой двуокиси кремния на поверхности подложки (заштрихован) и пленочные резисторы R1 и R3 (отмечены точками).
Рассмотренная полупроводниковая микросхема имеет пять элр ментов: два транзистора и три резистора. В выпускаемых промышленностью микросхемах число элементов на кристалле значительно больше, иногда оно исчисляется десятками и даже сотнями тысяч.
